Электромеханические приборы для измерения тока и напряжения

Электромеханические приборы отличаются относительной простотой и высокой надежностью. Класс точности этих приборов достигает 0,05. Конструкция электромеханических приборов содержит следующие общие элементы: измерительную цепь; измерительный механизм; демпфирующее устройство; стрелку; шкалу; корпус и ряд дополнительных устройств.

Измерительная цепь предназначена для преобразования измеряемой величины в величину, которая воздействует на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует поступающую из измерительной цепи электрическую величину в механическое перемещение (обычно угловое).

Демпфирующее устройство служит для устранения колебаний стрелки возле положения равновесия. Демпфирующее устройство создает момент, который действует только во время движения стрелки и исчезает при отсчете результата (остановке стрелки).

Стрелка и шкала предназначены для отсчета результата измерений.

Корпус прибора защищает механизм от влаги, пыли, механических повреждений. В некоторых приборах корпус играет роль экрана от ЭМП.

Дополнительные устройства создают противодействующий момент М_пр,

обеспечивают свободное вращение подвижной системы со стрелкой, балансира, установку нуля и т.д.

Приборы магнитоэлектрические. Указанные приборы имеют высокую точность, малую потребляемую мощность, равномерную шкалу. Применяют их обычно в качестве амперметров, вольтметров и омметров в цепях постоянного тока.

В основе магнитоэлектрических приборов лежит силовое воздействие МП на находящийся в нем проводник с током. Магнитоэлектрический измерительный прибор (рис. 11.6) состоит из постоянного магнита 4 с полюсными наконечниками 3. Между полюсными наконечниками расположен неподвижный цилиндр 7, изготовленный из магнитной стали. Такая конструкция позволяет получить в воздушном зазоре между цилиндром и полюсными наконечниками радиально равномерное МП. В этом поле находится подвижная катушка 6 с числом витков IV, которая укреплена на оси 8. Концы обмотки с помощью спиральных пружин 5, 9, создающих противодействующий момент М соединены электрически с измерительной цепью.

Рис. 11.6. Принципиальная конструкция магнитоэлектрического прибора

По катушке протекает ток /. Каждый виток катушки 6 может быть представлен в виде двух проводников длиной I. По этим проводникам ток протекает в противоположном направлении и создает пару сил, действующих на обе активные части витка. По закону Ампера, сила F = Blwl. Пара сил создает вращающий момент, М_вр = 2F(d / 2) = Blwdl, где d — ширина катушки.

Вращающий момент уравновешивается противодействующим моментом, который пропорционален углу поворота рамки а, т.е. М = ка , где к — коэффициент пропорциональности. Поскольку М_вр = М , получаем Blwdl = ка_i

откуда находим связь угла поворота а катушки с током / в ней: a(l) = (Blwd / k)l = SI. Полученное выражение позволяет найти чувствительность прибора S = а /1 = Blwd / к.

Для магнитоэлектрических приборов S постоянна, цена деления с шкалы тоже постоянна, с = 1 / S. Именно по этой причине шкала у таких приборов равномерная.

Для измерения в цепях переменного тока необходимо добавить выпрямитель. Такое сочетание магнитоэлектрического прибора и выпрямителя называют выпрямительным прибором.

Электромагнитные приборы. Такие приборы используют для измерения в цепях постоянного и переменного тока в качестве амперметров, вольтметров и фазометров. Приборы просты по устройству, широко применяются в качестве щитовых, но имеют невысокие точность и чувствительность.

Принцип действия электромагнитного измерительного прибора (рис. 11.7) основан на взаимодействии МП и магнитопровода. В качестве источника МП служит катушка 2, по которой протекает ток I. Магнитопровод 3 под действием МП катушки втягивается в нее и поворачивает ось 4, на которой закреплена стрелка 1. Противодействующий момент М_пр =к^а создается спиральной

пружиной 5 и пропорционален углу поворота стрелки 1. Для устранения колебаний стрелки используют воздушный демпфер 6.

Рис. 11.7. Электромагнитный прибор с плоской катушкой

По закону Ампера, сила взаимодействия катушки и магнитопровода F = ВIwl, где В — индукция в магнитопроводе; l,w,I — соответственно длина активной части проводников, число витков и ток катушки.

Индукция В в магнитопроводе создается МП катушки и пропорциональна току /, т.е. В =1. Таким образом, сила F и, следовательно, вращающий момент М_вр будут пропорциональны квадрату тока: М_вр = к_{1².

Вращающий момент уравновешивается противодействущим моментом ( М_др=М_пр). В результате получаем а =(к_] / k^)l² = kl². Электромагнитные приборы можно применять и для измерения напряжений. Выражая / через U и сопротивление катушки R_k, получаем a = k(U / R_k)‘ = (к / R_k ‘jU².

Угол поворота стрелки прибора пропорционален квадрату тока или напряжения катушки. Это означает, что шкала электромагнитного прибора является неравномерной.

Электродинамические приборы. Эти приборы применяют в цепях постоянного и переменного токов. Они отличаются высокой точностью (класс точности 0.1; 0,2; 0,5), но имеют большое внутреннее потребление электроэнергии и сравнительно низкую чувствительность.

Рис. 11.8. Электродинамический прибор

Электродинамический прибор (рис. 11.8) состоит из неподвижной катушки 2, имеющей две секции, подвижной катушки 3, стрелочного механизма 4, демпфирующего устройства 5. Подвижная катушка находится внутри неподвижной и может поворачиваться на оси вместе со стрелкой.

По неподвижной катушке протекает ток /,, который создает внутри ее МП. К подвижной катушке с помощью спиральных пружин подводят ток /,. Этот ток взаимодействует с МП неподвижной катушки, в результате чего возникает вращающий момент М_вр, который и отклоняет подвижную катушку со

стрелкой. Противодействующий момент создается спиральными пружинами 1, а колебания стрелки гасятся демпфирующим устройством 5.

Вращающий момент электродинамического прибора пропорционален обоим токам: M_cip=kI_]I₂. Такое соотношение вытекает из закона Ампера F = Blwl,

так как индукция МП неподвижной катушки В создается током /,, причем В пропорциональна /,.

В случае синусоидальных токов выражение для вращающего момента приобретает вид М = klj-, cos , где ‘Р — угол сдвига фаз между токами /, и /,.

Электродинамический прибор можно использовать для измерения тока (в этом случае обе катушки соединены последовательно и по ним протекает один ток), мощности или в качестве фазометра. В последних двух случаях прибор имеет две пары зажимов (два входа).

Шкала электродинамических амперметров и вольтметров неравномерная. Ферродинамические приборы. Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических приборов. В них МП неподвижной обмотки значительно усилено за счет применения магнитопровода из листовой электротехнической стали (рис. 11.9). Такое построение измерительного механизма дает возможность значительно увеличить вращающий момент.

В ферродинамических приборах существует два вращающих момента. Один из них имеет такое же выражение и природу, как у электродинамических приборов

Рис. 11.9. Принципиальное устройство ферродинамического прибора

Вращающий момент по равенству (11.12) равен нулю тогда, когда хотя бы один из токов /, или /₂ равен нулю. Второй момент является электромагнитным. Он возникает в результате прохождения тока /₂ по обмотке подвижной катушки. Так, в системе магнитопровода по рис. 11.9 подвижная катушка при ее питании током /₂ под действием электромагнитного момента будет стремиться занять такое положение, при котором поток, ею созданный, замкнется по пути наименьшего сопротивления, то есть электромагнитный момент стремится поставить плоскость катушки перпендикулярно к оси полюсов даже в том случае, когда” они не возбуждены и тока /, в неподвижной катушке нет.

Величина электромагнитного момента, возникающего в ферромагнитных приборах, определяется равенством

В большинстве ферродинамических приборов электромагнитный момент может быть учтен при градуировании приборов, но в ваттметрах и некоторых других приборах его приходится компенсировать, чтобы свести к минимуму возникающие под его действием погрешности (ваттметр должен давать показания лишь при наличии токов в обеих обмотках прибора).

При рассмотрении принципа действия ферродинамических приборов и при оценке величины возникающего в приборе момента обычно учитывают лишь момент вращения, определяемый равенством (11.12), момент по равенству (12.13) учитывается при градуировке приборов.

Если в приборе противодействующий момент создается пружинами, то для статического равновесия

откуда получается уравнение шкалы прибора

Из уравнения (11.15) следует, что угол отклонения подвижной части фер- родинамических приборов в случае равенства токов /, и /₂ пропорционален квадрату измеряемого тока или напряжения, как и у электродинамических приборов.

Для амперметров квадратичная шкала является нежелательной. В процессе измерений нагрузка может меняться в широких пределах, поэтому вся шкала должна быть рабочей. Чтобы этого достичь так же, как в электродинамических приборах, принимается ряд конструктивных мер.

Из основных достоинств ферродинамических приборов можно отметить следующие: большой вращающий момент; надежность в работе; возможность использования на постоянном и переменном токе; малое влияние внешних МП.

Индукционные приборы. Индукционный прибор (рис. 11.10) обычно применяется в качестве счетчика электрической энергии в цепях переменного тока. Прибор содержит два неподвижных электромагнита 1 и 5, вращающийся алюминиевый диск 3, укрепленный на оси 2.

По обмоткам обоих электромагнитов протекают синусоидальные токи/, и /₂, которые создают потоки Ф, и Ф,. Оба потока пронизывают диск и наводят в нем вихревые токи. Один из потоков пропорционален напряжению цепи, другой — току. Магнитный поток Ф, взаимодействует с вихревыми токами, созданными электромагнитом 5, а поток Ф, — с вихревыми токами, созданными электромагнитом 1. Возникает вращающий момент М_вр, который начинает

вращать диск. Постоянный магнит 4 служит для создания тормозного момента.

Вращающий момент диска зависит от тока и напряжения цепи, а также от угла сдвига фаз между ними ср. Тормозной момент зависит от скорости вращения диска, поэтому при равенстве моментов М = М скорость вращения дисков будет увеличиваться при возрастании М_вр. Число оборотов п диска за время

t будет пропорционально электрической энергии W. потребленной цепью за это время: W = Pt=cn, где В— мощность цепи; с— коэффициент, зависящий от конструкции счетчика.

На основе индукционных механизмов разработаны и выпускаются однофазные и трехфазные счетчики электрической энергии переменного тока. Они просты по конструкции, широко применяются в промышленности и быту. Класс точности этих приборов 1,0; 2,0; 2,5.

Электростатические приборы. Эти приборы обычно применяются в качестве вольтметров в цепях, имеющих значительные МП.

Электростатический прибор (рис. 12.11) представляет собой воздушный конденсатор, образованный неподвижными /, 4 и подвижной з пластинами. Неподвижных и подвижных пластин может быть несколько. Подвижная пластина укреплена на одной оси со стрелкой 2 прибора и может поворачиваться внутри неподвижных пластин.

Рис. 11.10. Индукционный прибор

К обеим пластинам подается измеряемое напряжение и. в результате чего на них появляются электрические заряды противоположного знака, которые создает ЭП между пластинами. ЭП воздействует на подвижную пластину и поворачивает ее, причем силы ЭП стремятся повернуть подвижную пластину таким образом, чтобы энергия ЭП W_j = CU² / 2 стала наибольшей. Напряжение U при измерении не меняется, поэтому энергия ЭП может увеличиваться только за счет емкости конденсатора с. Так как емкость конденсатора наибольшая при полностью втянутой подвижной пластине, то подвижная пластина втягивается и поворачивает стрелку. Движение пластины прекращается, когда противодействующий момент, создаваемый гибкой пружиной, уравновешивает вращающий момент. Шкала электростатического прибора неравномерная.

Электростатические вольтметры имеют широкий частотный диапазон, малое потребление ЭЭ, не зависят от МП. Выпускаются переносные и щитовые вольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5 на напряжение от 10 до 300 В.

К недостаткам рассмотренных приборов относятся малая чувствительность, большая зависимость от ЭП (механизм прибора необходимо экранировать), невысокая точность.

Рис. 11.11. Принципиальное устройство электростатического прибора

Термоэлектрические приборы. Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического прибора. Термоэлектрические приборы применяются обычно в цепях переменного тока в качестве амперметров и вольтметров. Основными достоинствами приборов является высокая точность измерений в широком диапазоне частот и независимость показаний от формы кривой тока (класс точности термоэлектрических амперметров составляет 1,0; 1,5).

Рис. 11.12. Термоэлектрический преобразователь:

1 — магнитоэлектрический прибор; 2 — термопара; 3 — нагреватель

Термоэлектрический преобразователь (рис. 11.12) состоит из нагревателя 3, миниатюрной термопары 2 и магнитоэлектрического прибора 1. В качестве нагревателя обычно используется тонкая проволока из нихрома или константа- на, по которой протекает измеряемый ток I. На выходе термопары развивается термоЭДС, которая пропорциональна количеству теплоты, выделяемой током I в нагревателе, т.е. Е = k_lI². Ток /„ измерительного механизма (ИМ) зависит от термоЭДС, сопротивлений термопары и измерительного механизма. Показания термоэлектрического прибора пропорциональны квадрату действующего значения тока, т.е. шкала прибора неравномерная и имеет квадратичный характер. ТермоЭДС преобразователя очень мала, поэтому часто применяют термобатареи (рис. 11.13), состоящие из нескольких термопар, что увеличивает чувствительность прибора.

Рис. 11.13. Термобатарея

Недостатками приборов являются большая чувствительность к перегрузкам, ограниченный срок службы термопреобразователей, большое внутреннее потребление ЭЭ, неравномерность шкалы.

В последние годы электромеханические измерительные приборы почти повсеместно вытесняются цифровыми.